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新世代控制器現身
工業4.0浪潮來襲

【作者: 王明德】   2017年03月27日 星期一

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過去的製造系統中,控制器向來是核心元件,近年來工業4.0掀起浪潮,智慧生產成為未來趨勢,智慧生產系統訴求高整合,感測網路成為製造架構中的重要子系統,在此趨勢下,無論是PLC或PC Based的PAC,都已不只單純將控制做為唯一功能,各廠商的都開始著手進化及其下的相關產品。


各廠商的控制器產品,在各部位都已開始強化其中,台達AS系列PLC是個相當典型的案例,此產品可以看出目前業界的PLC趨勢,AS系列PLC採用了SoC CPU,大幅提升運算能力(基本運算指令可達25ns),其產品定位介於小型DVP系列與中高階的AH系列之間,擁有台達DVP系列小體積設計、AH系列的強化結構與多樣化功能,最高可支援1,024點I/O與32個擴充模組,適合應用於高階機械控制系統。


新世代PLC經典規格

AS系列PLC主機的設計採用SoC CPU,大幅了提升運算能力(基本運算指令可達25ns),同時支援多樣化的功能卡插槽設計,可以依照實際的需求直接在主機上擴充多種的通訊介面以及AIO介面,具有節省安裝空間以及成本上的優勢,AS全系列採用無背板設計,同時以垂直滑動的方式進行模組的安裝與移除,除了減少控制盤的安裝空間之外,也增加模組更換時的便利性,通訊部分,除了基本的Ethernet介面外,搭配CANopen功能卡還可以支援多種不同的模式,台達此一系列產品主要的市場目標為中高端的OEM市場,所以在設計上考量速度、安裝空間、更換便利性、通訊介面之外,也具備基本的運動控制能力(6個高速計數器+6個200KHz脈衝輸出+8個CANopen伺服)。


從台達的AS系列PLC可以看出幾個趨勢,包括CPU的強化、多通訊介面等,先從CPU來看,PLC過去面對的自動化系統,所需處理的製程相對較為簡單,因此CPU效能需求不需太高,但近年來消費性產品不但體積逐漸縮小,且內建功能一再增加,所需的製程越來越精細,在此態勢下,CPU的效能必須快速提升,Maxim(美信半導體)系統與應用行銷總監Mr. Duc Ngo就指出,現在PLC需要更高的分辨率(Resolution)、更快的速度、更小的尺寸、更低的耗電與更多的安全認證。



圖1 : 台達AS系列PLC主打中高階OEM市場。(Source:台達)
圖1 : 台達AS系列PLC主打中高階OEM市場。(Source:台達)

無論是智慧工廠或工業4.0,對製造業而言都是革命性的概念,未來的製造系統下的各式設備將不再只是單獨的個體,透過各類感測器與通訊技術,設備中所有設備將全面串連,各設備設置感測器擷取的數據,可無縫流動,彙整至後端管理系統,形成Big Data,作為上層管理者的決策依據,同時底端的設備將有自我診斷功能,面對不同的產能需求,相互溝通、自行調整狀況,以維持最佳產能,面對新世代產線需求,PLC也須同步進化,輸出監控、能量控管方面,有更佳表現。


PLC控制與通訊並重

對於PLC的控制晶片,多數人認為PLC的控制晶片要進化,需要在數位技術部份著手,減少數位元件的體積,不過其實數位晶片只佔PLC電路板不到25%的面積,其他的離散元件與類比元件則佔了其他接近75%的面積,因此要縮小PLC的尺寸,必須由這兩類元件著手,但這兩類元件的技術不像數位元件容易擴展,因此其難度相當高,對此難題,現在市場上已有廠商推出整合晶片,將多數元件整合為單一晶片,降低尺寸、成本與功耗,透過整合,PLC的速度更快、散熱更佳,且體積更小。


PLC的控制晶片有兩類,一為PLC廠商自行設計,另一種則是晶片廠商提供,自行設計的控制晶片可貼合廠商本身需求,整合性與效能表現都較佳,不過這必須廠商的產品量有一定規模,方能分攤高昂的晶片設計成本,目前台灣PLC廠商多採用自行設計的控制晶片,至於晶片廠商的產品,其優勢是可快速取得、整體成本較低,效能也高,缺點則是PLC整機設計必須受制於控制晶片,整合性較弱,大陸廠商目前多採用這類型晶片。


第二個重點是多通訊模組,智慧工廠強調整合性,將各製造設備納為同一系統,系統內的每一設備都必須能相互連結,此外製造系統還須與後端的IT管理系統鏈接,透過通訊,讓設備與設備、系統與系統都能互送訊息,讓各環節的資訊價值可以最大化,目前市場上的PLC,多已有Ethernet通訊埠,台達的AS系列PLC也將之作為標準設計,在現場總線方面,AS系列PLC選擇了CANopen標準,此一標準兼具易配線與高效率優點,在工控市場上已然普及,由於現在的PLC需與馬達、I/O模組互連,CANopen的普及,可使PLC與其他設備的連接更容易,整合性也更高。


台商往中小型PLC方向發展

台達AS系列PLC主打中高階OEM市場,台灣另一家老牌PLC廠商永宏電機的近來雖然推出的微型的PLC–B1系列,不過永宏經理許祿沛指出,未來該公司的產品策略會往中小型方向走,許祿沛表示,永宏電機成立初期的產品即是中大型PLC,當年的技術如今仍在,因此難度不高,而之所以會往中小型方向發展,最大的原因在於小型PLC後進者的技術已然跟上,市場競爭過於激烈,且因其架構簡單,應用與功能都受限。


對於小型PLC的競爭態勢,台達也指出,產品的發展到了一定的階段時,就會遇到市場上價格競爭的問題,如果只是注重成本的降低與控制,勢必會受到很大的發展限制,面對這樣的市場競爭,台商必須要找出市場的新需求,並且進行垂直與水平的產品與技術整合,發揮一加一大於二的效果,同時提供全方位的服務與完整的解決方案,「價格」只是客戶購買時的其中一項考量因素,唯有同時滿足客戶多種需求的產品與服務,才能夠獲得客戶的青睞,也才能在市場上穩定成長。


目前台灣業者在小型PLC市場,遇到最大的競爭者來自大陸廠商,近年來全球大廠如西門子,也推出小型PLC,讓此一領域的競爭日趨激烈,台灣廠商一直以來的優勢在於高性價比,台灣廠商的產品品質與大廠相近,但價格更為親民,因此一直以來在自動化領域都佔有一席之地,不過隨著大陸廠商的價格進逼,台灣廠商產品品質雖仍維持,不過價格方面的優勢逐漸流失,因此現在多數台灣業者都已開始往中小型PLC方向發展。


亞洲的中小型PLC最主要的競爭者為日商,另外西門子在此領域也有佈局,與小型PLC以單一產品為主的做法不同,中小型PLC必須搭配周邊的自動化設備,以解決方案模式提供給客戶,以永宏為例,就將旗下的HMI與PLC整合,永宏的解決方案有多種選擇,HMI螢幕有4.3吋、7吋、10.2吋,CPU則為600MHz,已於2016年上市,許祿沛指出,此一產品的特點在於,其HMI與PLC可結合在一起,除了精簡製造系統空間外,通訊纜線也更穩固、成本當然也更佳。



圖2 : 永宏電機經理許祿沛指出,台灣廠商一直以來的優勢在於高性價比。(攝影/王明德)
圖2 : 永宏電機經理許祿沛指出,台灣廠商一直以來的優勢在於高性價比。(攝影/王明德)

FPGA讓PAC效能與彈性兼具

除了PLC外,PC Based的PAC也是自動化系統的主流控制器之一,PLC與PAC之爭已超過10年,PAC的主要優勢是相容性高,不過在問世初期,穩定度一直為市場所質疑,經過長年發展,此以問題已逐漸克服,台達認為,隨著時間與技術的演進,PLC與PAC的差異會越來越小,或應該說兩者的融合程度會越來越高,以目前的技術與市場來看,PLC為OEM市場與簡易的系統中的主流,而PAC則借助著高速處理能力、龐大的資料存儲及優越的系統擴展能力,在大型的系統整合市場中獲得青睞,以目前來看,PLC強調的仍是穩定性以及適宜的價格,而PAC則著重在較高的硬體規格與軟體功能。


PAC市場的主要廠商為工業電腦業者,其中美商國家儀器(NI)的CompactRIO是業界的指標性機種之一,與PLC和一般PAC採用控制晶片或CPU不同,CompactRIO的控制單元使用FPGA(現場可程式邏輯門陣列),NI行銷工程師吳維翰表示,FPGA的最大特色就是效能與彈性兼具,使用者可根據身需求,定義FPGA的應用,例如現在多數控制器的處理器都採用多核架構,以平行運算讓PLC可以多工運作,不過多核CPU的運作方式只是運算核心的轉換,並不會有專屬的固定運算核心,FPGA則可以由設計者自行設計切分不同的功能區塊,因此控制器會有固定的運算與其他功能區塊,此一作法可以完全貼合該控制器的需求。



圖3 : NI行銷工程師吳維翰表示,FPGA的最大特色就是效能與彈性兼具,使用者可根據身需求,定義FPGA的應用。(攝影/邱倢芯)
圖3 : NI行銷工程師吳維翰表示,FPGA的最大特色就是效能與彈性兼具,使用者可根據身需求,定義FPGA的應用。(攝影/邱倢芯)

不過FPGA的缺點在於其程式語言如VHDL或Verilog,都有相當門檻,一般工程師要上手並不容易,而CompactRIO之所以能夠採用FPGA而仍順利推廣,最主要的原因在於,NI的LabVIEW提供了相對簡程式易的圖形化設計介面,讓工程師在設計時更容易上手。


未來PLC的功能發展

在工業4.0浪潮中,「資訊的收集、整合與分析」無疑是未來製造系統的重要方向,台達指出,控制器負責蒐集相關的設備運作資料並進行儲存,同時向上位監控系統傳送資料,而企業的ERP與MES等系統則可以讀取資料中心的訊息,然後進行分析,再根據分析數據擬定相關的決策與處理,由此架構中可以看出,未來控制器必須要加強與IT介面的整合能力,同時具有大量資料存儲與無線/4G網路連接的能力,方能因應這波工業革命的趨勢。


圖說


**刊頭圖片(Source:Siemens)


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